窒素 (N) のモル質量と他の元素との比較を発見する

窒素は地球の大気のなんと 78% を占めています。周期表上で炭素と酸素の間に位置する窒素は、記号 N で表されます。窒素原子が単独で移動することはほとんどありません。これらは他の窒素原子と信じられないほど強い結合を形成して N ₂ 分子を形成したり、他の元素とアンモニア NH ₃ 、亜酸化窒素 N ₂ O、硝酸 HNO ₃ などのよく知られたさまざまな化合物を形成したりします。窒素のモル質量は、この元素の重要な特性です。

窒素化合物は生命に必要です。窒素は私たちの食べ物、水、さらにはDNAにも含まれています。作物に肥料を与えたり、デザートにホイップクリームを塗ったり、橋を爆破したりするまで、あらゆることに欠かせないものです。標準の温度および圧力では、窒素は気体として存在します。色も匂いもありません。沸点は-195.8 °C (-320.4 °F) と低く、それより低いと通常の大気圧では当然液体です。

この記事では、窒素のモル質量、それが何を意味するのか、そしてなぜそれが重要なのかを探っていきます。すべての元素には定義されたモル質量があります。すべての化合物も同様です。物質のモル質量は、その物理的および化学的特性に影響を与えます。物質のモル質量は、単にその物質の 1 モルの質量をグラム単位で表したものです。

化学において、モルとは、原子または分子を問わず、一定の数の粒子を指します。この数値は定数であり、常に、何が起こっても同じであることを意味します。 1 モル内の粒子の数は約 6.022 × 10 ²³ 単位で、アボガドロ数またはアボガドロ定数としても知られています。イタリアの科学者アマデオ アボガドロにちなんで名付けられたこの定数は、化学と世界の仕組みを理解する上で非常に重要です。

窒素のモル質量は 1 モルあたり 14.0067 グラムです。これは、1 モルの窒素原子、つまり 6.022 × 10 ^{23 個の} 窒素原子の質量が約 14 グラムであることを意味します。比較のために、 1 モルの水素原子の モル質量は約 1 グラムです。これら 2 つの元素と、それらのモル質量がどのように決定されるかを見てみましょう。

水素は周期表の最初の元素です。原子ごとに陽子が 1 つだけあり、中性子はありません。水素の 1 つの極小電子の質量は無視でき、単一の陽子の質量は約 1 原子質量単位です。 1 モルの水素原子の質量は 1.00784 グラム/モルであり、ここでの目的では 1 モル/グラムに四捨五入できます。

窒素は周期表の 7 番目の元素です。原子番号は 7 で、ちょうど 7 つの陽子があります。自然界のほとんどすべての窒素原子も 7 個の中性子を持っています。陽子と中性子の両方のおおよその質量は同じであり、これらの原子内の電子の質量は無視できるほど小さいです。したがって、予想どおり、窒素のモル質量は、およそ 7 モルの陽子と 7 モルの中性子の合計、つまり 14 グラムになります。実際、窒素原子 1 モルの計算上の質量は 14.0067 グラムです。

なぜ窒素のモル質量は正確に 14 グラムではなく、わずかに大きいのかと不思議に思う人もいるかもしれません。違いは、自然界に見られる元素の同位体の分布にあります。周期表上のほとんどの元素は、複数の既知の形式で存在します。同位体と呼ばれるこれらの形態は、陽子の数は同じですが、中性子の数が異なります。通常、自然に存在する原子の大部分は一次同位体で占められ、残りは 1 つ以上の他の同位体で構成されます。窒素の場合、主な同位体は ¹⁴ N で、核内に 7 つの陽子と 7 つの中性子があります。もう 1 つの同位体 ¹⁵ N は、7 つの陽子と 8 つの中性子を持っています。

元素の実際のモル質量を計算するには、その元素のさまざまな天然同位体をすべて考慮する必要があります。窒素または複数の天然同位体を持つその他の元素のモル質量を発見するために、科学者は既知の同位体の原子質量を平均します。彼らは自然界に見られる各同位体の割合を計算し、平均をグラムで表します。言い換えれば、各同位体のパーセンテージと個々のモル質量を乗算し、各同位体の合計を加算して平均モル質量を求めます。

窒素には 2 つの主要な天然同位体がありますが、それらは同じ頻度で出現するわけではありません。 ¹⁴ N 同位体は ¹⁵ N 同位体よりもはるかに頻繁に発生し、その比率は ¹⁴ N 原子が 99.634 パーセント、 ¹⁵ N 原子が 0.366 パーセントです。科学者は、天然に存在するすべての異なる同位体の質量を、それらが実際に見つかる頻度に関して平均することによって、元素の原子質量を決定します。窒素原子のごく一部が ¹⁵ N 同位体として存在するため、平均モル質量は 1 モルあたり 14 グラムよりわずかに大きくなります。

窒素元素は自然状態では気体として存在します。これは、水素、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素など、二原子分子を​​構成する数少ない元素の 1 つです。つまり、これらの元素は単一の原子として存在するのではなく、2 つの原子が結合して強く結合した分子を形成します。たとえば、私たちが呼吸する酸素は、大気中に単一の酸素原子ではなく、主に O ₂ 分子として存在します。同様に、窒素元素もほとんどの場合 N ₂ ガスとして存在します。

原子番号 7 の窒素は、周期表の第 2 周期の 15 族に属します。前述したように、窒素の原子核には 7 つの陽子と、通常 7 つの中性子があります。窒素にも電子が 7 つあります。原子の電子の配置は、原子の挙動や他の元素との結合に影響を与えます。第 2 周期の他の元素と同様に、窒素は内殻に 2 つの電子を持ち、外殻には窒素のグループに対応する特定の数の電子があります。窒素の場合、この数は 5 です。

化学結合を形成するとき、原子は一般に、イオン結合を通じて電子を授受したり、共有結合を通じて電子を共有したりすることによって、可能な限り最も安定した配置を達成するために働きます。元素の最も安定な電子配置は、通常、最も近い希ガス、または 18 族 ( 米国では以前は VIIIA 族としてリストされていた ) の電子配置です。窒素の場合、最も近い希ガスはネオンであり、その完全に満たされた外殻には 8 つの電子があります。つまり、外殻に 5 つの電子を持つ各窒素原子が結合を形成して、非常に安定した希ガス構造を実現します。

上で述べたように、窒素元素は主に二原子分子 N ₂ として自然界に存在します。しかし、それぞれの外殻に電子が 5 個しかない場合、このペアの両方の窒素原子はどのようにして望ましい希ガス配置になるのでしょうか?答えは共有結合にあります。

共有結合により、原子は電子を共有することができます。 N ₂ 分子内の各窒素原子は、その外殻内の 3 つの電子を他の窒素原子と共有します。これらは、最も強い結合の 1 つである三重結合を形成します。共有電子の 3 対は、両方の原子核の周りの雲の中を高速で移動し、分子内の各窒素原子に、安定した配置を達成するために必要な 8 つの電子を与えます。

窒素は多くの身近な化合物を形成し、他の元素と容易に結合します。以下に示すように、窒素と酸素は結合して複数の化合物を形成します。二酸化窒素、NO ₂ は、化石燃料が燃焼したときに生成される汚染物質です。歯科処置を受ける前に、亜酸化窒素としても知られる N ₂ O を吸入したり、お気に入りのデザートにホイップクリームを塗るために N 2 O を使用したりしたことがあるかもしれません。一方、一酸化窒素、NO は循環調節と健康な免疫システムに不可欠です。

嗅覚があれば、おそらく特定の窒素化合物を簡単に認識できるでしょう。 1 つの窒素原子が 3 つの水素原子と結合すると、アンモニアとしても知られる NH ₃ が形成されます。各窒素原子が望む希ガスの配置に到達するには、さらに 3 つの電子が必要であることに注意してください。各水素原子には、共有できる電子が 1 つあります。したがって、NH ₃ は非常に安定な化合物です。

窒素原子が 4 つの水素原子と結合すると、NH ₄ ⁺ アンモニウム イオンが形成されます。この多原子イオンは、多種多様なアンモニウム化合物の形成に不可欠です。 NH ₄ ClO ₄ (過塩素酸アンモニウム) はロケット推進剤として使用できます。硝酸アンモニウム、NH ₄ NO ₃ は、農業で使用される非常に効果的な肥料です。しかし、1995年にオクラホマシティの アルフレッド・P・ムラ連邦ビルを 破壊し、168人を殺害した爆弾のような強力な爆発物の製造にも使用できる。このような肥料爆弾は恐ろしいものですが、 J・ロバート・オッペンハイマー が設計した原子爆弾や、オッペンハイマーが反対したさらに破壊力の高い水素爆弾よりもはるかに威力が劣ります。

すでに学習したように、1 モルの窒素原子の質量は約 14.0067 グラムです。しかし、窒素ガスには窒素原子が 1 つだけではなく、各分子内に 2 つの原子がしっかりと結合しています。したがって、1 モルの窒素 分子は 実際には 2 モルの窒素 原子 に等しいことになります。したがって、式 N ₂ を使用して窒素ガスのモル質量を求めるには、単純に単一の窒素元素のモル質量を 2 倍するだけです。窒素ガスのモル質量は、1 モルあたり約 28.0134 グラムです。

周期表には、各元素が原子番号に基づいて順番に配置されています。原子番号は、元素の各原子に含まれる陽子の数であることを思い出してください。窒素には各原子に 7 つの陽子があり、原子番号は 7 になります。そのモル質量は1モルあたり14グラム強です。窒素に最も近い 2 つは、原子番号 6、モル質量約 12 グラム/モルの炭素と、原子番号 8、モル質量約 16 グラム/モルの酸素です。

以下のグラフは、ホウ素からネオンまでの周期表の第 2 周期の元素の原子番号とモル質量の関係を示しています。これらの元素はそれぞれ、最初と 2 番目の S 軌道に 2 つの電子を持ち、最初の P 軌道には 1 ～ 6 つの電子を持ちます。

窒素は文字通り私たちの周りにあります。大気中に最も豊富な元素である窒素は、私たちが見ているあらゆる場所、そして私たちが吸うすべての呼吸の中に存在しています。ただし、元素を使用可能な形で取得するに は、窒素サイクルと呼ばれる複雑なプロセス が必要です。植物と微生物は空気から窒素を取り出し、土壌中で使用可能な化合物に変換します。窒素は植物、菌類、その他の微生物を循環します。次に、人間を含む他の生物が固定窒素を消費し、それを使用して DNA や RNA に必要な核酸や筋肉の成長に必要なアミノ酸など、私たち自身の重要な化合物を構築します。最終的には、分解と微生物の活動により窒素ガスが大気中に放出され、サイクルが再び始まります。

原子レベルで見ると、窒素には 7 つの小さな陽子と 7 つの中性子しか含まれていません。これは、存在することが知られている元素の中で 7 番目に軽い元素です。他の 6 つだけがこれより小さいモル質量を持っています。しかし、窒素は間違いなく私たちの世界で最も重要な元素の 1 つです。